三电平逆变器的设计

三电平逆变器的设计
摘要：多电平逆变器是近年来电力电子领域中中高压大功率应用场合研究的一个热点，这种逆变器用小容量的器件输出高容量、高质量的电能，因此在中高压变频调速、交流柔性输电系统等场合得到广泛的关注。

本文从二极管箝位型三电平的拓扑电路出发，详细分析了三电平的SVPWM原理，介绍了三电平的电压空间矢量控制策略（SVPWM），用电压空间矢量方程求解了每个扇区内四个小三角形的电压空间矢量和三电平母线箝位电压空间矢量控制策略，在母线箝位SVPWM方法中由于存在每一个小扇区中有一个开关状态保持不变，从而使得开关频率最小化。

最后仿真实验证实了这种空间矢量控制策略的特点，并将这种方法与一般的SPWM方法进行比较，发现其开关损耗小，电流畸变也小。

关键词：三电平逆变器；中点箝位三电平逆变器；母线箝位SVPWM
Clamp Diode-type Inverter Design
Abstract: During recent years, multilevel inverter has been widely researched in high power level application with high voltage output. Power energy with characteristic of high capacity and high quality can be achieved by this type of inverter, in which relatively small capability and low voltage switches are adopted. So this technique has been widely concentrated in such application as medium-high voltage transducer and Flexible AC Transmission System
In this paper, the principle of the three-level SVPWM is specified consequently based on the circuit topology of NPCTLI three-level inverter. And the three-level SVPWM is introduced, and then the voltage space vector of four small triangles in each sector is solved using the voltage space vector equation. Because a switch isn’t changed in the small triangle of each in bus clamped SVPWM, switching frequency of use makes minimum. At last, achievement of the SVPWM driving signal by using the tool of SIMULINK is discussed. The loss of switch and THD of current can be reduced compared with usual SPWM technique.
Key words: Three-level Inverter; NPCTLI ，Bus Clamped Space Vector Pulse Width Modulation
第一章引言
电力电子学作为一门研究电能变换的理论、方法和应用的专门学科，其主要任务就是“随心所欲”的使用电能——高效率地提供任意形式和容量的电能。

作为一门集成电子技术、功率集成、自动控制、材料科学、计算机控制技术、电磁兼容技术、传感技术和热工等学科为一体的新型交叉学科，电力电子技术得到了国内外的普遍重视和广泛的研究[1]。

虽然作为一个学科仅有半个世纪的历史，但是却取得了突飞猛进的进展，应用范围日益广泛。

无论在功率器件、电路拓扑、控制方法和装置等方面都比初期有了较大进步。

功率器件经历了从结型控制器件(晶闸管，GTR，GTO)到场控器件(MOSFET, IGBT, IGCT)再到智能功率器件、智能功率模块(IPM)的过程；电力电子电路功率变换器技术除了发明了众多的新型拓扑结构外，还创造了如多重化、谐振开关、多电平、矩阵变换器等概念；控制策略方面出现了相控、PWM控制以及以状态空间平均法为代表的动态建模理论；在仿真手段方面出现了多种仿真工具，如PSPICE, SABER,PSIM, SIMULINK等；而电力电子的应用范围几乎涉及到从发电、输电和储电的所有用电的领域[2][3]。

从目前文献[4]来看，电力电子技术发展呈现功率器件场控化、开关高频化、低功耗、控制数字化、功率大容量化等几个特征。

而电力电子技术目前的研究热点主要包括：电力电子系统集成与磁集成、新型开关器件的研究、多电平变换器技术和软开关技术、电磁兼容技术、矩阵变换器等。

作为当前电力电子技术发展的一个重要热点，多电平逆变器的产生解决了人们在功率器件容量有限的情况下实现大容量功率逆变技术；解决了电力电子装置开关频率和电压谐波之间的矛盾；解决了高频化和低EMI的矛盾。

中高压电动机广泛使用于大型(1OOO KW以上)风机和水泵的拖动，已广泛应用变频调速来实现风量和水量调节，大功率电力机车牵引传动和轧钢工业等方面。

采用中高压变频技术不但可以节约电能，而且可以显著改善系统的运行性能，提高产品的数量和质量，甚至可以使生产中的一些技术难题得到妥善解决。

所以市场对性能优良、成本适中的中高压变频器的需求非常旺盛。

另一方面，随着工业的高速发展和电力需求的日益增加，电力技术和电力系统得到了迅猛发展。

具体表现在以下两个方面：（1）为了满足远距离及大容量电能输送的要求，输电电压越来越高；（2）通过联网运行，电力系统的规模越来越大。

大电网互联带来了可观的综合效益，但也面临一系列新的矛盾和问题及前所未有的挑战，比如：（1）新建高压线路的限制；（2）控制潮流走向的要求；（3）短路电流对设备的要求；（4）提高控制装置的响应速度；（5）如何协调各子系统的储备容量；（6）稳定性问题等。

为此，一种改变传统输电能力的新技术——柔性交流输电系统FACTS技术悄然兴起。

“柔性交流输电系统(FACTS)”也称“灵活交流输电系统”，就是在输电系统的重要部位，采用具有单独或综合功能的电力电子装置，对输电
系统的主要参数进行调整控制，使输电更加可靠、具有更大的可控性和有效性。

作为主要FACTS技术的高压输电技术(HVDC)、新型静止无功发生STATCOM、综合潮流控制器UPFC、电力有源滤波器APF等等，它们的核心单元都是逆变器，当其电压等级较高时，就是中高压逆变器。

旺盛的市场需求，使得中高压逆变技术受到越来越多的关注、研究和应用[5]。

本文的工作旨在研究多电平逆变器的控制技术(主要是SVPWM)，为以后实用化产品打下一个坚实的基础。

1.1高压大功率逆变技术
随着人们希望电力电子装置能够处理原来越高的电压等级和容量等级(如电力系统的中的HVDC, STATCOM等为代表的柔性FACTS技术以及以高压变频为代表的大电机驱动和大功率电源装置)，但是目前的功率器件的单管容量还是很有限，虽然出现了6000V/6000A的GTO，IGBT的研制的容量也达到3300V/ 1200A，在某些应用场合传统的两电平逆变器技术还是不能够满足高压大功率、高频化的要求。

为了实现采用相对较小容量的功率器件实现高压大功率的变换，研究者们提出了各种方案，归纳起来大致可分为四类:
1.1.1 多重化技术
所谓多重化技术，就是以多个小功率逆变器在输入和输出端通过变压器串联和并联，每个逆变器都以相同的开关频率工作，但是在控制角上面有一个相移，从而提高输出的容量和改善输出的波形质量。

多重化技术既可用于单相的系统，也可以用于三相系统。

由N个三相(或单相)逆变器来进行多重化。

每个三相(单相)变换器输出的波形为交流的矩形波，若相邻的逆变器输出电压相位相差π/3N，通过适当选取变压器的变比和副边绕组的连接方式，可在输出端得到6(N-1)阶梯波，从而使得输出电压仅含有6kN±l(k为整数)次谐波，其余的谐波都相互抵消。

因此在扩展容量的同时改善了输出波形的质量，减少了谐波的含量，降低了波形的正弦失真度。

一般而言，在电流型逆变器通常采用变压器并联的方式，而电压型的逆变器则采用的是副边变压器串联的方式。

多重化结构只要适当的选择相移角，调节变压器的变比就可获得高容量和高质量的电源。

但是这种结构在技术上面有一个最主要的不足之处就是：变压器的设计比较麻烦，而且也增大了系统的体积和成本、降低了系统的效率，尤其是重数大于2的时候设计工作更是麻烦。

1.1.2 功率器件的串并联技术
为了使用耐压低，工作电流小的器件实现高压大电流的场合，采用功率器件的串并
联技术是一种最直接的方式——功率器件串联提高电压等级、功率器件并联提高电流等级。

这种方法的原理虽然很简单，但是由于器件参数的离散性(导通电阻、栅阀电压、跨导、分布电感等)，因此在并联的时候会产生功率器件不均流。

这种不均流通常又有静态不均流和动态不均流。

静态不均流通常是由于导通电阻不同造成的；而动态不均流则是由于各种参数不匹配在开关过程中引起电流分配不均。

另外对于器件串并联后的驱动要求也变高，延迟时间尽量接近，并尽量短从而保持系统的稳定。

采用器件的串并联技术，虽然能够提高器件的容量，但是它不能够改善输出的波形质量，另外由于分布参数的原因和伴随着功率器件水平的不断提高导致其应用的场合得到受到了很大的约束。

现在一般只在电压极高的场合，如高压直流输电系统中用到功率器件的串联技术以及在低压大电流场合应用具有正温度系数的MOSFET 并联使用。

1.1.3 组合相移逆变器SPWM 技术
组合相移技术的基本思想就倍频思想。

N 个模块(每个模块就是一个普通的两电平变换器)组成的系统中，所有模块采用都是同一调制波，在相邻模块之间的三角载波之间有一个相移c Nk /2π，其中c k 为三角载波与调制波之间的频率比，这一相移使得各模块所产生的SPWM 脉冲在相位上错开，从而使得叠加后输出的SPWM 波的等效开关频率提高了N c k ，因此可以在不提高开关频率的时候大大减少输出谐波。

其组合方式分为四种：（1）有中线回路并联型逆变器，（2）无中线回路并联型逆变器，（3）串联型逆变器，（4）混合型逆变器。

其中并联型逆变器通过电流的叠加实现谐波的抵消；串联型的变换器通过实现电压的叠加实现电流中谐波的消除，变换器单元的交流侧电流谐波较小，所需的滤波电感比并联型逆变器更小。

组合相移技术的优点就是采用低频器件实现等效率高频输出，由于开关频率的降低，逆变器的效率也得到很大的提高。

缺点就是这种组合技术还是用到了工频变压器，增加系统的体积和降低了系统的效率。

1.1.4 多电平逆变器
A.Nabael 等人在1980年的IAS 会议上提出了中点箝位型的三电平结构[6]，该电路的结构如图 1.1所示。

直流侧通过两个串联的电容把直流侧的电压分为三个电平d U 2/1+、d U 2/1-、0。

功率变换的部分采用4个反向并联二极管的开关管串联，并有两个箝位二极管和内侧开关管并联，中心抽头和直流侧电容的中点相连实现中点箝位，形成了所谓中点箝位型的逆变器 (NPCTLI )。

由于二极管的箝位，使得主功率开关管所承受的电压是直流侧电压的1/2，因此开关过程的电压应力dv dt 会减小，这种特性也使得使用低压器件实现高压大功率容量变换成为可能。

另外由于输出的相电压为三电平，比传统的两电平逆变器多了一个零电平，因此输出的谐波水平也大大的降低，波形质量
得到了大大的提高。

1983年，M.B.Hagwat 等人对NPC 结构作了进一步的研究把三电平结构的思想扩展到任意n 电平[7]。

这些工作为高压大功率变换器的研究提供了一个崭新的领域。

但是多电平逆变器在刚被提出的时候并没有受到广泛的关注，其原因在于这种结构使用的开关管比较多，控制的自由度比较大，因此控制起来比较困难。

八十年代末，随着GTO , IGBT 等大功率可控器件容量等级的不断提高，以及以DSP 为代表的控制芯片的迅速普及，关于多电平逆变器的研究和应用才有了迅猛的发展，不仅在电路拓扑、PWM 控制法和软开关技术等方面形成了许多分支，而且应用领域从最初的DC-AC 变换，如大功率电机驱动；拓展到AC-DC 变换，如电力系统无功补偿和AC-DC-AC 变换，如超导储能；再到近期的DC-DC 变换，如高压直流变换，三电平PFC 等。

图1.1 二极管中心箝位型三电平逆变器主电路结构
多电平逆变器技术和其它几种技术比较具有以下优点：
（1）每个功率器件仅承受1/(n-1)的母线电压(n 为电平数)；所以可以用耐压低的器件实现高压，且无需动态准压电路；
（2）电平数的增加，改善了输出电压波形，减小了输出电压波形畸变(THD) ；
（3）输出同等质量波形的时候，多电平逆变器的开关频率要比两电平逆变器低，开关损耗小、效率高；
（4）由于电平数的增加，相同的母线电压情况下，开关过程中的电流上升率dt di 和电压变化率dt dv 要小很多。

在高电压大电机驱动中，可有效防止电机转子绕组绝缘部分击穿，同时改善装置的EMI 特性。

（5）无需输出变压器，大大地减小了系统的体积和损耗。

1.2多电平技术发展现状
多电平逆变器技术在过去的二十几年里得到了广泛的关注和研究。

在拓扑结构上面，除了最初二极管中点箝位型结构外，还提出了飞跨电容型、级联多电平型和混合级联型多电平结构，在控制策略方面更是涌现了大量的控制策略和方法。

而应用不仅仅只限于AC-DC和DC-AC变换，在DC-DC变换中也有大量的研究和使用。

应用的领域包括了电力系统中的无功补偿、高压直流输电、大电机变频调速。

在国外多电平逆变器得到了大量实际应用，西门子公司制造的一台三电平STATCOM已安装在丹麦REJSBY HADE风力发电厂，该STATCOM有两个三电平GTOVSI通过一个三绕组的变压器连接到一条15KV母线上，其中一个VSI连接到Y绕组，一个VSI连接到△绕组，采用GTO的额定功率值为4500V/3000A，装置用空气冷却，无功调节范围 8MVAR；美国ROBICON公司采用级联型多电平逆变器结构原理，以生产出2300Vac-7200Vac，400Kw-7500Kw系列完美无谐波高压交流变频器，其变频器部分的效率高达98%，包括输入变压器在内整个系统的效率高达96%以上，在正常范围内功率因素超过0.95，无需任何功率因素补偿电容，无谐波污染，即使在电源容量不超过变频器额定容量的时候，也满足IEEE519对电压失真和电流失真的严格的要求。

此外, SIMENS、ROCKWELL、ABB、FUJI 、MITSUBISHI等公司都有各种类型的多电平逆变器产品。

国内中高压变频器产品市场还未成熟，研究开发和市场的空间很大。

目前多电平技术研究的热点主要集中以下几个方面：
（1）基于多电平逆变器基本结构单元组合思想提出新的拓扑结构和多电平逆变器的建模。

（2）基于控制自由度组合思想提出新的控制策略。

（3）多电平软逆变器开关技术的研究。

（4）多电平技术在DC-DC中的应用。

而目前多电平逆变器研究的难点主要集中多电平逆变器技术所固有的一些缺陷，例如这种技术开关管子比较多，控制比较复杂；中点箝位结构的多电平逆变器中，存在直流侧电压平衡问题等。

因此随着相关技术的发展和新型控制策略的提出，多电平技术将会发展到一个新的阶段。

1.3 本文的主要内容
本论文以二极管箝位型三电平逆变器为研究对象，从三电平逆变器主电路的原理、三电平SVPWM控制策略、主电路构成、MATLAB仿真实验结果等几个方面来研究和论述。